更多的建筑科学
加里·克莱因(Gary Klein)是高效提供热水的专家，长期以来一直在推动热水分配系统的变革。近年来，他和他的同事开发了一种很好的工具来量化热水分配系统的效率。它被称为热水系统矩形，概念很简单。
热水矩形
要找到热水矩形，你要画出尽可能小的矩形，其中包括热水器和房子里所有的热水装置。然后你找到那个矩形的面积，用它除以空调面积，然后用百分比表示。如果热水矩形面积和平房的空调面积一样大，这个比例将是100%。
下面的示意图显示了用黑色勾勒出的平房的空调空间。我还在图中展示了热水器和所有热水装置的位置。在这个简单的例子中，热水矩形是93%。这只比空调面积小一点点。不管你信不信，虽然听起来很糟糕，但事情并没有想象中那么糟糕。
在平房里，这个数字实际上可以超过100%。例如，如果上面的房子的热水器是在一个附属车库，热水矩形将大于100%。有空调的建筑面积会更小，因为我们要减去车库的面积。但热水矩形的大小将与上面显示的相同，使比例大于100%。
多层住宅和热水矩形
当你有一栋两层的房子时，你仍然画出一个热水矩形。它必须包括热水器和两层楼的所有热水设备。假设的最大值是50%，但这是在矩形不穿过建筑围护结构的情况下。对于一栋三层楼的房子来说，这个假设的最大值是33%。
尽管我们知道实际的热水矩形可能比这些数字大，但它们是衡量房屋效率的有用指南。你希望热水矩形尽可能小，百分比尽可能低。如果你对单层住宅的投资接近100%，对两层住宅的投资接近50%，对三层住宅的投资接近33%，那就不太好了。如果超过这些数字，情况就更糟了。
使用热水矩形
我们面临的挑战是降低热水矩形所代表的比例。如果你是一个想要改进的房屋建筑商或建筑师，这很容易做到。在电脑屏幕上移动房间比在真正的建筑中移动要便宜得多。让我们回到上面那座平房。在没有考虑热水分配系统效率的情况下，热水矩形比往往是一个很高的数字。而在这个房子里，这个比例从93%开始，这很糟糕。
在不太改变平面图的情况下，我们可以大大减少这个数字。第二种布局(下图)显示厨房被重新安排，热水装置靠近房子的中心，两间浴室也移向中心。该配置的比率是26%。大部分房间几乎都在同一个地方，但我们把厨房的水管搬到了室内，浴室也搬了一点。
通过对平面图做更大的改变，我们可以在热水矩形上得到更大的缩小。在第三种布局中(下图)，浴室和厨房的热水装置更接近。热水器和洗衣房也搬到了房子的中央。结果是3%的比例。这还不是我们能做的最好的。
一个极端改进的真实例子
克莱因与加州斯托克顿的“人类家园”(Habitat for Humanity)建筑商乔治·科尔岑(George Koertzen)合作，通过降低他所建造的单层房屋的热水矩形比例，帮助他在高效提供热水方面做出了巨大的改进。在了解到聚类的重要性之前，Koertzen以79%的比例建造了一个平面图。然后他看到了潜力，并在第一次尝试时将其降低到15%。然后是4%……然后是2.5%…最后，惊人的0.8%!
他将这一比例降低到1%以下的方法是，首先将两个浴室分别放在同一面墙的两侧。然后他把厨房的水槽和洗碗机放在墙的一端，洗衣机放在墙的另一端。他在一间浴室的马桶上方安装了无水箱式燃气热水器，在另一间浴室的马桶上方安装了家用集流管。从热水器到最远的夹具的总长度小于10英尺。
你能做什么?
如果你是一个改造者或房主想要弄清楚如何高效提供热水在现有的家庭中，你面临着更多的挑战。一种选择是更换热水管道(假设它们是可触及的)。在不改变平面图的情况下，你可以减少长度，也可以正确的尺寸直径。
如果可能的话，另一个选择是把热水器搬到更中心的地方。然后改变路线和正确的尺寸管道在同一时间。或者你可以把一个大的热水器换成两个或更多更靠近热水装置的小热水器。
当然，昂贵的选择是彻底重新设计房子的平面图，将所有潮湿的房间集中在房子的同一部分。对于两层的房子，我的热水矩形比例目前是50%。把洗衣房和门厅换一下，把厨房搬到书房里，我可以把这个比例降到5%甚至更低。但这将是一个巨大的革新。
在每一个选项中，你的目标都是减少热水矩形的大小和正确的管道大小。然而，在大多数现有的家庭中，最便宜的选择是安装一个水槽下的需求激活循环泵那是在房子里一条或多条干线的末端。
一份信息丰富的报告
加州能源委员会(California Energy Commission) 2021年的一份报告(CEC-500-2021-043)详细解释了热水矩形(也称为热水分配矩形或热水系统矩形)。它类似于湿房间矩形，可能是，也可能不是相同的数值面积或比例。
该报告的作者(Gary Klein, Jim Lutz, Yanda Zhang和John Koeller)做了大量的研究并把信息发布出来，为我们所有人做了很大的贡献。它的热水输送效率比矩形的热水输送效率高得多。第5章甚至提出了“两个意想不到的发现”。
下载报告:住宅低流量热水装置的法规变更及影响(cec - 500 - 2021 - 043)
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Allison A. Bailes III博士是一个演讲者他是作家、建筑科学顾问，也是乔治亚州迪凯特能源先锋公司的创始人。他有物理学博士学位，还写了能源先锋的博客．他也有一本关于建筑科学的书将于2022年秋天面世。你可以在推特上关注他@EnergyVanguard．
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15个评论
这是一个非常好的，直接的设计启发式。
除了热水分配之外，将潮湿的房间聚集在一起的另一个好处是，你最终会得到一个更简单的ERV/HRV管道运行的设计。理想情况下，您的机械房间靠近(在?上图?)，你的回报有一个短而直接的路径(从厨房，浴室和洗衣房)离开信封，你的供应线可以有一个良好的布局从单位到卧室/其他生活区域。
这是一个有用的工具，但我认为保持分寸感也很重要。如果一栋房子的平面图是由热水分配系统或管道运行的效率驱动的，而牺牲了其他建筑或实际问题，那就没有太大意义了。
拜托，马尔科姆。就像你不需要放弃建筑或实际的考虑来拥有一个良好的建筑围护结构，你不需要放弃这些东西来拥有一个设计高效的热水(或管道)的房子。一个好的架构师或设计师可以让它发挥作用。
艾莉森,
我同意。好的设计尽可能多地融入其中。当效率问题成为布局的驱动因素时，我只是持谨慎态度。确保洗手间背靠背以最小化供应和排水管道是我在布置平面图时最后考虑的事情。与其他担忧相比，这些收益根本微不足道。
我们在20世纪70年代早期的太阳能房屋中看到了这种想法的结果，那基本上是一种收集能量的机器，人们被认为在某种程度上知道如何生活。这种做法可能会让更广泛的公众对能源效率的兴趣倒退十年。
你可以在问答中看到这个问题的另一面，关于如何建造一个表面几乎完全是玻璃的房子，并融入了一些困难的屋顶过渡，设计师似乎没有考虑到实际问题。在这种情况下，司机似乎完全是审美的，我们不会期望一个建筑科学家以某种方式使它工作。
我认为将其与20世纪70年代早期的太阳能房屋进行比较是不准确的。在整个20世纪中期，将洗手间背靠背放置是一种传统智慧。我没有看到有人抱怨没有人想要那些被误导的不适合居住的房子。
查理,
我认为你把我的两个例子混为一谈了。
早期太阳能房屋的问题是，居住空间的设计是为了收集能量，不适合居住者。我附近的一家位于繁忙的温哥华，它的街道一侧完全是玻璃的，有巨大的绝缘百叶窗，全天需要打开和关闭。开门的时候里面的人烤着吃，而且也暴露在任何路过的人面前。到了80年代初，百叶窗干脆关上了，几年后，这座建筑被拆除了。
我的观点是，使用背靠背的浴室作为楼层规划的驱动因素，通常是以牺牲其他更重要的东西为代价的，比如这些房间与邻近房间的关系，以及它们在房子里的最佳位置。20世纪中期，包含了它们的小册子并不以实用性或布局的优雅而闻名。
高级框架是另一个节能的想法，可以以类似的方式消极地影响设计。有一些与之相关的好技巧，但想象一下，你走进一个房间，注意到窗户的大小奇怪，它们在墙上的位置既没有优化家具的布局，也没有优化外面的风景。你会满意的解释，是什么决定了它们的大小和位置，优化螺柱布局，以提高效率?
马尔科姆,
谢谢你的进一步解释。也许这只是我对加固管道带来的设计挑战缺乏熟悉或经验，也可能是我想象力的失败。我当然看到过糟糕的中世纪设计，但错误似乎更多的是由于没有考虑到与站点的关系，而不是由于管道成本导致的内部配置妥协。你在这方面比我有更多的经验和训练，所以我相信你的话。
也许我们可以同意，具有统一管道的设计是一个很好的起点，但如果其他考虑表明有其他更好的方法，我们不应该过度约束。
查理,
我在西北地区设计房屋的主要原因是气候。这通常包括在潮湿但气候温和的地区建立覆盖的户外区域以扩大可用的生活空间。
许多地块倾向于倾斜，朝南，俯瞰胡安德富卡海峡。因此，适当的回应通常采取矩形的形式，较长的边朝向南北，主要的起居区域和卧室共享南侧，服务房间位于北侧。
一旦做出了这些决定，所有空间之间以及与特定场地之间的关系都根据客户的喜好建立起来，这时我就会考虑对平面图做一些细微的调整以减少管道的运行是否合理。我只是不知道还有哪些考虑因素可以让我把它放在优先级的后面。
我认为在重复叠层布局的多户型建筑中这样做是很有意义的。
这是将概念转化为数字的好方法，从而鼓励友好的竞争来降低数字。
我认为条件空间矩形和热水矩形的周长之比会是一个更好的度量标准。一个40英尺长(6英寸宽)的矩形的面积是40英尺长3英尺宽矩形的六分之一，但在分配热水方面并不是六倍。
矩形也会误导人。想象一个四角都有固定装置的矩形，其中一个大小相同但只有三个角有固定装置。后者的效率更高，但它们的评级相同。梯形更合理。我写的两个故事(更像是1.75的故事)，长方形的得分为18%，而梯形的得分约为12%。
很高兴看到克莱因和艾莉森引起了人们对住宅热水供应时间和水浪费的关注。我们经常看到浴室和厨房水槽分散在整个房子的设计，而没有考虑到恼人的热水延迟，或浪费的水进入下水道。最近，我们看到有人建议使用复杂的系统对热水进行再循环，以减少热能或水的损失，而不是一开始就把重点放在减少热水供应管道的长度上。它有助于使点集中管道，或减少热水管道运行，或可能增加一个小的热水增加附近的远程装置。量化可以使设计方案得到改进或更精确地进行比较。这没有错，只要它不是作为唯一的设计标准，这不是它的意图。希望某些指标能够帮助我们注意到在住宅布局中这一设计细节是如何被忽视的，或者如何进行改进，或者是比较设计方案的许多方法之一。
我的问题是，什么时候增加一个额外的热水器有意义(或没有意义)?我目前正在做一个大的定制住宅，如果我把三个固定装置从主要的矩形中取出来，把它们放在自己的44加仑小热水器上，我的%就会从33%下降到14%。我不能移动这些固定装置，但它在什么点不起作用?
由于不了解你的具体情况，我们可以做一些假设……
1.让我们假设在偏远的浴室或厨房，你不想等很长时间从远处的热水器送热水来，或浪费热水到排水沟直到完全热的水来。
2.一个44加仑的热水器对大多数家庭来说足够大了。两个全尺寸的热水器似乎有点过头了，除非你有一些特殊情况，除了偏远的热水装置。然而，在这两个不同的位置放置两个全尺寸的热水箱，确实可以减少等待热水到达的时间，也可以减少浪费掉的水。缺点包括购买、安装和维护两个热水器的费用翻倍，两个水箱的备用热损失更高，以及更多的空间专门用于额外的全尺寸热水箱。你可能会错过使用单一热泵热水器的机会，因为它整体上较低的电力公用事业成本，并冷却和除湿室内空气。特别是如果你生活在一个炎热潮湿的夏天，或把热水加热器放在一个完整的地下室，这些优点抵消了地下室除湿器或空调的成本。
3.让我们假设热水供应管道的长度为50英尺，从热水箱到浴室淋浴或梳妆台，或远程厨房水槽。这个50英尺长的PEX管道只能容纳不到半加仑的水。因此，对于前半加仑，你在偏远的地方得到了较低的水温，可能会和你家里70F/21C的室内温度一样凉爽。(最极端的情况可能是100英尺长的管道或一加仑的水。)
4.将热水管从热水箱到固定装置进行绝缘处理，可以以较低的初始成本减少热量的损失，而且无需持续使用、维护或更换成本。它还可以改善舒适度，或者让你更容易对淋浴或水槽的热水温度进行微调。
5.你可以在偏远的地方使用一个小的热水加热罐，从主热水加热器和长供应管道提高热水的温度。这样，你一开始就用的是附近小热水缸里的热水。当管道中较冷的室温水从主热水箱排入远端小热水箱时，远端小热水箱(增压)的水温仅略微降低。假设远程热水增压箱为5加仑，将半加仑室温水混合到140华氏度/60摄氏度的水箱中，可能会导致5加仑水箱的温度暂时降至132华氏度/56摄氏度。(一加仑为100 '管长约125F/52C)在排完最初的半加仑左右的水之后，你就可以从主热水缸里把完全热的水放进远程的小水箱里，两个水箱都能够不断提高水的温度。
6.与全尺寸水箱相比，一个较小的远程热水(增压)水箱成本更低，可以有更低的备用热损失，占用更少的空间，更小，所以更容易在远程浴室或厨房找到空间。它用掉的容量比你的断路器盒比一个全尺寸的水箱。然而，从主热水箱到较小的二次热水箱的1/2到1加仑的水会有一些小的备用损失。
我认为用热水矩形面积乘以空调楼层数除以空调楼层面积更合理。那么不管建筑的楼层是多少，“糟糕”的情况都是100%。使比较更加简单。
当我们在1994年建造自己的家时，上面提到的许多设备还不存在。我们是这样做的。所有的配电线路都是1/2"铜的冷热。我们在热水管线旁边又放了一条1/2”的铜线，并在距离加热器最远的地方进行了探测。回程线配备了塔可泵绘图1/8安培。所有的管道都是高度绝缘的。因此，泵不会整天运行，它是由计时器控制的。我们还给热水器装了计时器。因为我们的日程安排，热水器早上6点开机，9点关机。水泵计时器启动，半小时后关闭。 In the afternoon, the water heater goes on at 5:00 p.m. and off at 10:00 p.m. Again the pump timer lags by a half hour. Both timers are in a closet central to the house. They can be turned on and off manually by push buttons whenever necessary. When we have guests, we may let the pump run all day so water will be at least pretty warm if not hot. The original water heater was replaced a few years ago by a high-efficiency model with heavier insulation. We know that this setup may not be the most energy efficient one that is possible. However, it is still reliable and the cost of replacing it with any of the newer systems mentioned in the article and the comments likely never would be recovered in our lifetimes.
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